基于OAI的LTE协议栈半实物仿真平台的设计与实现

摘要

3GPP规定的第一个真正的4G技术是Release10，是目前移动技术的基石。2017年3GPP正式发布Release15，标志着5G标准化的第一阶段完成。其中TD-LTE由中国主导，得到了广泛的国际支持，并成为国际标准。2014年我国制定了基于TD-LTE的B-TrunC宽带集群通信标准，其中包括大量中国专利，因此TD-LTE的宽带集群通信在系统研发的自主专利方面具有巨大优势。在此趋势下，面向公共安全、电力系统、水利系统、交通运输以及石油化工等行业开始逐步引入TD-LTE技术。 LTE协议标准不断更新，需要快速进行商业化。LTE专网研究不断深入，不仅需要LTE技术，还在此基础上增加了特殊的业务需求，例如LTE集群专网中需要增加集群信道以及对应的控制和管理。这些工作都需要仿真验证和真实情况测试，纯软件仿真的结果主要取决于其数学模型的优劣，与真实情况可能存在较大的偏差。在此背景下，本文以OAI的SDR实验源码为基础设计并实现了LTE协议栈半实物仿真平台，该半实物仿真平台可以提供符合LTE标准的协议栈，其数据包在真实网元之间传递，方便进行跟踪。可以基于该半实物仿真平台进行LTE协议仿真测试，也可以基于该平台进行专网研究和测试。该半实物仿真平台由三部分组成：eNB、UE和EPC，半实物仿真平台的eNB和UE基于OAI中openairinterface5g项目进行设计与实现，EPC部分直接使用OAI的openair-cn项目。本文的主要研究内容和贡献有： （1）分析OAI源码，将OAI工程与LTE系统的网元和协议栈进行对应，对OAI层间交互和OAI中UE、eNB网元的物理层实现进行详细分析，目前认为OAI没有实现小区切换功能。 （2）设计和实现物理适配层模块，该模块完成了UE和eNB网元与以太网通信的功能。 （3）设计并实现UE和eNB两个网元。这两个网元是基于OAI源码实现的，主要修改部分位于OAI的UE物理层和eNB物理层。 测试结果表明本文所设计和实现的半实物仿真平台可以成功附着到OAI的核心网，信令面和数据面都可以通信，证明半实物仿真平台的设计和实现基本可行。本文的研究成果为项目后续研发提供了测试和实验平台。

目录

声明

缩略词表

第一章绪 论

1.1研究课题的背景和意义

1.2课题研究现状

1.2.1 LTE仿真技术研究

1.2.2 SDR技术发展

1.2.3 OAI的发展和研究

1.3论文研究内容

1.4论文章节安排

第二章LTE协议体系与OAI框架分析

2.1 LTE系统架构

2.2 LTE系统无线接口协议栈

2.3 OAI概述

2.4 OAI框架分析

2.4.1 OAI项目分析

2.4.2 OAI软件结构与协议栈

2.5.1 HARQ功能

2.5.2随机接入

2.5.3小区切换

2.6本章小节

第三章OAI源码分析

3.1 OAI层间交互分析

3.1.1 OAI收发数据分析

3.1.2 OAI中ITTI分析

3.2 OAI初始化分析

3.3多线程运行分析

3.4本章小结

第四章半实物仿真平台设计

4.1半实物网络仿真关键技术分析

4.2半实物仿真平台设计

4.2.1半实物仿真平台需求分析

4.2.2半实物仿真平台方案设计

4.3仿真平台伪物理层设计

4.3.1伪物理层需求分析

4.3.2伪物理层方案设计

4.3.3伪物理层接口报文设计

4.4物理适配层设计

4.4.1物理适配层需求分析

4.4.2物理适配层方案设计

4.5半实物仿真平台软件结构设计

4.6本章小节

第五章半实物仿真平台实现

5.1伪物理层接口报文设计

5.2物理适配层及通信接口实现

5.2.1物理适配层实现

5.2.2伪物理层Netlink接口实现

5.3 OAI物理层关键技术分析

5.3.1小区搜索

5.3.2物理层编解码以及调制解调实现分析

5.4半实物仿真平台同步实现

5.5 eNB伪物理层实现

5.5.1 eNB伪物理层下行实现

5.5.2 eNB伪物理层上行实现

5.6 UE伪物理层实现

5.6.1 UE伪物理层上行实现

5.6.2 UE伪物理层下行实现

5.7本章小节

第六章半实物仿真平台测试

6.1 OAI调测方法分析和应用

6.1.1日志系统

6.1.2分析工具

6.1.3 Telnet服务器

6.1.4 T tracer

6.2.1测试目的

6.2.2测试步骤

6.2.3测试内容

6.3半实物仿真平台测试

6.3.1测试环境

6.3.2功能测试

6.3.3性能测试

6.4本章小节

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

攻读研究生学位期间的研究成果